基于涡度法的西南丘陵区森林碳通量观测研究 ——以重庆缙云山为例

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森林生态系统是陆地生态系统进行碳交换的重要场所,研究森林生态系统碳循环具有重要意义。涡度相关法是直接测定碳交换最可靠的方法,但会受限于地形影响,因此通量数据校正与质量控制十分重要。本文运用涡度相关法对重庆缙云山的亚热带针阔混交林生态系统进行碳通量研究,利用2016年6月至2017年5月整年通量与气象数据,讨论了山区复杂地形条件下数据倾斜校正方法,探究出适宜当地的倾斜校正方法,并明确了当地能量平衡闭合情况及年内碳通量特征。主要结果如下:(1)本研究发现适宜缙云山使用的倾斜校正方法为二次坐标轴旋转法(DR)。山区地形下,水平风会有明显的垂直切变,导致侧向应力较大,因而三次旋转法(TR)对通量低估明显;平面拟合法(PF)因下垫面起伏大不均一,无法拟合出一个适当的平面来代表下垫面,因此不适合缙云山地区使用。经DR、TR和PF校正后,热通量、碳通量和摩擦风速均有减小趋势,总体来说DR对通量值的影响程度最小,分别使显热H减小18%、潜热LE减小32%、碳通量Fc减小40%、摩擦风速u*减小22%。DR和TR校正后高质量数据比例(等级为0)提升2.89~4.51%,PF校正后高质量数据比例下降13.62~16.60%。坐标旋转使缙云山能量闭合率(EBR)降低,经过DR和TR旋转后的EBR分别为0.78、0.77,旋转后EBR仍在学术界认为合理范围内。(2)能量闭合程度白天>夜间,白天EBR为0.79,夜间仅为0.26,同时相关系数R2差异巨大,白天R2=0.72,夜间R2只有0.01。EBR在日出日落时段发生剧烈变化,夜间值在-1.00~0.65之间波动,最小值出现在19点;白天EBR缓慢上升,从7点开始直到18点30分达到最大值1.33。u*、湍流动能(TKE)、莫宁-奥布霍夫稳定度参数((Z-D)/L)以及平均风速(WS)与EBR有着极显著线性相关(p<0.001),u*与EBR为正相关,其他因子与EBR为负相关,u*对EBR影响最大,标准化系数为0.22。(3)缙云山针阔混交林净生态系统碳交换量(NEE)平均日变化呈“U”字形,白天NEE为负,为碳汇,夜间NEE为正,为碳源。日均碳汇峰值最大、最小值分别在7月和12月。日碳汇时长与日固碳量均存在季节差异,日碳汇时长由大到小依次为春季、夏季、秋季、冬季,日固碳量由大到小依次为夏季、秋季、春季、冬季。NEE、生态系统呼吸量Re、总生态系统碳交换量GEE年总量分别为-566.49、1196.68、-1761.63 g C·m-2。冠层碳储存(Fs)在半小时尺度对NEE有较大影响,在更长的时间尺度上影响则不明显,年Fs仅为年NEE的4%。生态系统总体来说为碳汇,全年只有12月为碳源。u*、TKE、WS以及空气相对湿度(RH)与Fc有着极显著线性相关(p<0.001),其中u*与Fc负相关,其他因子与Fc为正相关;WS对Fc影响最大,标准化系数为0.13。
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